(57)【要約】【課題】  システム全体を大型化することなく、しかも、たとえ多量の水素を短時間のうちに供給する必要がある場合にも対応可能な水素供給システムとその運転方法。【解決手段】  水素の流れ方向の上流側から下流側に向けて、水素製造装置１、水素製造装置１により製造された水素を収容するバッファタンク２、バッファタンク２からの水素を圧縮する圧縮機３、圧縮機３により圧縮された水素を貯蔵する蓄圧器４、および、蓄圧器４からの水素を水素需要手段６に供給するディスペンサ５が、この順に接続されている水素供給システムとその運転方法で、水素を水素吸蔵材に吸蔵させて貯蔵する水素貯蔵タンク８ａ，８ｂが、圧縮機３より上流側に接続されている水素供給システム、および、蓄圧器４内の圧力が水素補充用設定圧以下になると、水素貯蔵タンク８ａ，８ｂ内の水素を補充する運転方法。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素の流れ方向の上流側から下流側に向けて、水素製造装置、水素製造装置により製造された水素を収容するバッファタンク、バッファタンクからの水素を圧縮する圧縮機、圧縮機により圧縮された水素を貯蔵する蓄圧器、および、蓄圧器からの水素を水素需要手段に供給するディスペンサが、この順に接続されている水素供給システムであって、
水素を水素吸蔵材に吸蔵させて貯蔵する水素貯蔵タンクが、前記圧縮機より上流側に接続されている水素供給システム。
【請求項２】
前記水素貯蔵タンクが、前記バッファタンクに接続されている請求項１に記載の水素供給システム。
【請求項３】
水素の流れ方向の上流側から下流側に向けて、水素製造装置、水素製造装置により製造された水素を収容するバッファタンク、バッファタンクからの水素を圧縮する圧縮機、圧縮機により圧縮された水素を貯蔵する蓄圧器、および、蓄圧器からの水素を水素需要手段に供給するディスペンサが、この順に接続されている水素供給システムの運転方法であって、
水素を水素吸蔵材に吸蔵させて貯蔵する水素貯蔵タンクを、前記圧縮機より上流側に接続しておいて、前記蓄圧器内の圧力が水素補充用設定圧以下になると、前記水素貯蔵タンク内の水素を補充する水素供給システムの運転方法。
【請求項４】
前記蓄圧器内の圧力が水素製造用設定圧以下になると、前記水素製造装置による水素の製造を開始する請求項３に記載の水素供給システムの運転方法。
【請求項５】
前記蓄圧器内の圧力が水素停止用設定圧以上になると、前記水素製造装置による水素の製造を停止する請求項３または４に記載の水素供給システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素の流れ方向の上流側から下流側に向けて、水素製造装置、水素製造装置により製造された水素を収容するバッファタンク、バッファタンクからの水素を圧縮する圧縮機、圧縮機により圧縮された水素を貯蔵する蓄圧器、および、蓄圧器からの水素を水素需要手段に供給するディスペンサが、この順に接続されている水素供給システムとその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような水素供給システムは、例えば、水素リッチガスから高純度水素を製造して、その高純度水素を燃料電池自動車などの水素需要手段に供給するためのものである。
そして、この種の水素供給システムとしては、従来、水素製造装置により製造された高純度水素をバッファタンクと蓄圧器に貯蔵するように構成され、蓄圧器内の圧力が満杯圧未満になると、水素製造装置による水素の製造を開始し、満杯圧に達すると、水素の製造を停止するように制御運転するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１１６５４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、この種の水素製造装置では、運転開始の直後から直ちに水素が製造されることはなく、一般的には、運転開始から１時間程度経過した後に水素が製造される。
したがって、上記公報に記載のシステムや運転方法では、多量の水素を短時間のうちに供給してしまうと、つまり、バッファタンクと蓄圧器に貯蔵してある水素を１時間以内に供給し終わってしまうと、その後、水素製造装置により実際に水素が製造されるまでの間、水素供給が不可能になる。
そのような事態の発生を回避するためには、例えば、蓄圧器を大容量化することが考えられるが、当然、蓄圧器の占める空間が大きくなって、システム全体が大型化することになる。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目したもので、その目的は、システム全体を大型化することなく、しかも、たとえ多量の水素を短時間のうちに供給する必要がある場合にも対応可能な水素供給システムとその運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の特徴構成は、水素の流れ方向の上流側から下流側に向けて、水素製造装置、水素製造装置により製造された水素を収容するバッファタンク、バッファタンクからの水素を圧縮する圧縮機、圧縮機により圧縮された水素を貯蔵する蓄圧器、および、蓄圧器からの水素を水素需要手段に供給するディスペンサが、この順に接続されている水素供給システムであって、水素を水素吸蔵材に吸蔵させて貯蔵する水素貯蔵タンクが、前記圧縮機より上流側に接続されているところにある。
【０００７】
本発明の第１の特徴構成によれば、水素の流れ方向の上流側から下流側に向けて、水素製造装置、バッファタンク、圧縮機、蓄圧器、および、ディスペンサが、この順に接続されている水素供給システムにおいて、水素を水素吸蔵材に吸蔵させて貯蔵する水素貯蔵タンクが、圧縮機より上流側に接続されているので、多量の水素を短時間のうちに供給する必要がある場合には、水素吸蔵材に吸蔵されている水素を放出して不足分を補充することにより対応可能となる。
そして、その不足分を補充するための水素は、水素吸蔵材に吸蔵させて水素貯蔵タンク内に貯蔵されるので、たとえ多量の水素を貯蔵する場合であっても、つまり、水素製造装置による１時間分の製造量に見合う量の水素、あるいは、それ以上の量の水素を貯蔵する場合であっても、比較的小さな水素貯蔵タンクを設けるだけで済み、システム全体の大型化を招くこともない。
【０００８】
本発明の第２の特徴構成は、上述した水素供給システムにおいて、前記水素貯蔵タンクが、前記バッファタンクに接続されているところにある。
【０００９】
本発明の第２の特徴構成によれば、水素貯蔵タンクが、バッファタンクに接続されているので、水素吸蔵材から放出された水素は、バッファタンク内の水素と混合され、バッファタンク内の水素と一緒に圧縮機により所定の圧力にまで圧縮されてディスペンサから水素需要手段に供給される。
【００１０】
本発明の第３の特徴構成は、水素の流れ方向の上流側から下流側に向けて、水素製造装置、水素製造装置により製造された水素を収容するバッファタンク、バッファタンクからの水素を圧縮する圧縮機、圧縮機により圧縮された水素を貯蔵する蓄圧器、および、蓄圧器からの水素を水素需要手段に供給するディスペンサが、この順に接続されている水素供給システムの運転方法であって、水素を水素吸蔵材に吸蔵させて貯蔵する水素貯蔵タンクを、前記圧縮機より上流側に接続しておいて、前記蓄圧器内の圧力が水素補充用設定圧以下になると、前記水素貯蔵タンク内の水素を補充するところにある。
【００１１】
本発明の第３の特徴構成によれば、水素の流れ方向の上流側から下流側に向けて、水素製造装置、バッファタンク、圧縮機、蓄圧器、および、ディスペンサが、この順に接続されている水素供給システムの運転方法において、水素を水素吸蔵材に吸蔵させて貯蔵する水素貯蔵タンクを圧縮機より上流側に接続しておいて、蓄圧器内の圧力が水素補充用設定圧以下になると、その水素貯蔵タンク内の水素を補充するので、蓄圧器内の水素がなくなる前に水素貯蔵タンク内の水素を補充することが可能となる。
したがって、多量の水素を短時間のうちに供給する必要がある場合においても、水素の供給を中断させることなく、必要量の水素を連続して水素需要手段に供給することができる。
【００１２】
本発明の第４の特徴構成は、上述した水素供給システムの運転方法において、前記蓄圧器内の圧力が水素製造用設定圧以下になると、前記水素製造装置による水素の製造を開始するところにある。
【００１３】
本発明の第４の特徴構成によれば、蓄圧器内の圧力が水素製造用設定圧以下になると、水素製造装置による水素の製造を開始するので、上述したように、多量の水素を短時間のうちに供給する必要がある場合、水素貯蔵タンク内の水素を補充して対応するのと並行して、水素製造装置による水素の製造を開始することも可能となり、たとえ水素貯蔵タンク内の水素を使い切ったとしても、引き続いて水素製造装置により製造した水素を水素需要手段に供給することができる。
【００１４】
本発明の第５の特徴構成は、上述した水素供給システムの運転方法において、前記蓄圧器内の圧力が水素停止用設定圧以上になると、前記水素製造装置による水素の製造を停止するところにある。
【００１５】
本発明の第５の特徴構成によれば、蓄圧器内の圧力が水素停止用設定圧以上になると、水素製造装置による水素の製造を停止するので、水素製造装置により必要以上の量の水素を製造することもなく、ランニングコストのコストアップを抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明による水素供給システムとその運転方法につき、実施の形態を図面に基づいて説明する。
この水素供給システムは、例えば、水素リッチガスから高純度水素を製造して燃料電池自動車などに供給するためのもので、図１に示すように、水素の流れ方向の上流側から下流側に向けて、水素製造装置１、水素製造装置１により製造された高純度水素を一時的に収容するバッファタンク２、そのバッファタンク２からの高純度水素を圧縮する圧縮機３、圧縮機３により圧縮されて昇圧された高圧の高純度水素を貯蔵する蓄圧器４、および、蓄圧器４からの高純度水素を水素需要手段の一例である燃料電池自動車６に供給するディスペンサ５が、第１〜第４水素搬送路７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄを介して、この順に接続されて構成されている。
【００１７】
この水素供給システムにおいて、水素吸蔵材の一例である粉粒状の水素吸蔵合金を収容して、その水素吸蔵合金に高純度水素を吸蔵させて貯蔵する第１と第２の水素貯蔵タンク８ａ，８ｂが設けられ、両水素貯蔵タンク８ａ，８ｂが、第１と第２の水素貯蔵路９ａ，９ｂを介して第１水素搬送路７ａに並列に接続され、第１水素貯蔵路９ａに第１貯蔵用電磁弁１０ａが、第２水素貯蔵路９ｂに第２貯蔵用電磁弁１０ｂが設けられている。
そして、両水素貯蔵タンク８ａ，８ｂは、第１と第２の水素補充路１１ａ，１１ｂを介してバッファタンク２に並列に接続され、第１水素補充路１１ａに第１補充用電磁弁１２ａが、第２水素補充路１１ｂに第２補充用電磁弁１２ｂが設けられている。
【００１８】
水素製造装置１は、水素リッチガスから高純度水素を製造するもので、第１から第３までの３つの水素精製塔１３ａ，１３ｂ，１３ｃを備え、各水素精製塔１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、水素リッチガス供給路１４に対してそれぞれ供給用分岐路１４ａ，１４ｂ，１４ｃを介して互いに並列に接続され、各供給用分岐路１４ａ，１４ｂ，１４ｃには、それぞれ供給用電磁弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃが設けられている。
水素リッチガス供給路１４には、例えば、１３Ａなどの都市ガスを原料とし、昇圧した都市ガスから硫黄分をｐｐｂレベルにまで除去し、水蒸気改質用の触媒によって水素リッチガスに改質するとともに、変成用の触媒によって水素リッチガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成し、さらに、余分な水分を除去した後の水素リッチガスが供給される。
【００１９】
各水素精製塔１３ａ，１３ｂ，１３ｃには、加圧下においてその水素リッチガスから水、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、窒素などの不純物を吸着除去して高純度水素を精製する適切な吸着剤が収容されている。
各水素精製塔１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、排出用分岐路１６ａ，１６ｂ，１６ｃを介して第１水素搬送路７ａに互いに並列に接続され、各排出用分岐路１６ａ，１６ｂ，１６ｃにそれぞれ排出用電磁弁１７ａ，１７ｂ，１７ｃが設けられ、この第１水素搬送路７ａに上述したバッファタンク２や両水素貯蔵タンク８ａ，８ｂが接続されている。
【００２０】
さらに、各水素精製塔１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、均圧用分岐路１８ａ，１８ｂ，１８ｃを介して均圧路１８に互いに並列に接続され、各均圧用分岐路１８ａ，１８ｂ，１８ｃにはそれぞれ均圧用電磁弁１９ａ，１９ｂ，１９ｃが設けられ、均圧路１８の端部は、第３水素精製塔１３ｃにおける排出用分岐路１６ｃとの接続箇所より下流側において第１水素搬送路７ａに接続され、その接続箇所より上流側の均圧路１８にも均圧用電磁弁１９ｄが設けられている。
各水素精製塔１３ａ，１３ｂ，１３ｃの供給用分岐路１４ａ，１４ｂ，１４ｃには、図外のオフガスタンクに接続されるオフガス排出路２０ａ，２０ｂ，２０ｃがそれぞれ接続され、各オフガス排出路２０ａ，２０ｂ，２０ｃにそれぞれオフガス電磁弁２１ａ，２１ｂ，２１ｃが設けられている。
【００２１】
このような構成からなる水素供給システムは、その作動の全てが自動制御されるように構成され、そのため、制御手段２２が設けられるとともに、蓄圧器４や両水素貯蔵タンク８ａ，８ｂには、それぞれ内圧を検出する圧力センサ（図示せず）が設けられ、それら圧力センサからの圧力信号が制御手段２２に入力される。
そして、その制御手段２２が、各圧力センサからの信号に基づいて第１と第２貯蔵用電磁弁１０ａ，１０ｂ、第１と第２補充用電磁弁１２ａ，１２ｂ、供給用電磁弁１５ａ〜１５ｃ、排出用電磁弁１７ａ〜１７ｃ、均圧用電磁弁１９ａ〜１９ｄ、および、オフガス電磁弁２１ａ〜２１ｃなどを開閉制御するように構成されている。
【００２２】
つぎに、この水素製造装置の作動と運転方法について説明する。
高純度水素は、通常、４０ＭＰａ程度の高圧で蓄圧器４内に貯蔵され、燃料電池自動車６に供給する必要があれば、ディスペンサ５を介して供給される。
燃料電池自動車６への供給によって、蓄圧器４内の圧力が水素製造用設定圧Ｐ１（例えば、３０ＭＰａ）以下になると、水素製造装置１による高純度水素の製造が開始される。
その水素製造装置１による高純度水素の製造は、水素リッチガス供給路１４からの水素リッチガスが第１〜第３水素精製塔１３ａ〜１３ｃのいずれかに供給されて高純度水素に精製されて製造される。
【００２３】
図２の運転工程図と図３の運転説明図を参照して、例えば、第１水素精製塔１３ａにおいて精製される場合であれば、図３の（イ）に示すように、供給用電磁弁１５ａの開弁によって第１水素精製塔１３ａに水素リッチガスが供給され、加圧下においてその水素リッチガス中に含まれる水、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、窒素などの不純物を吸着剤に吸着させて高純度水素を精製する吸着工程が実行される。
その際、第２水素精製塔１３ｂと第３水素精製塔１３ｃにおいては、均圧電磁弁１９ｂ，１９ｃの開弁に伴って均圧工程が実行され、その後、均圧電磁弁１９ｂ，１９ｃの閉弁に伴って均圧工程が終了する。そして、図３の（ロ）に示すように、第２水素精製塔１３ｂにおいては、排出用電磁弁１７ｂの開弁によって昇圧工程が実行され、第３水素精製塔１３ｃにおいては、オフガス電磁弁２１ｃの開弁によって減圧工程が実行され、さらに、図３の（ハ）に示すように、第３水素精製塔１３ｃにおいては、排出用電磁弁１７ｃの開弁によって洗浄工程が実行される。
【００２４】
第１水素精製塔１３ａにおける吸着工程の実行で精製された高純度水素は、排出用電磁弁１７ａの開弁に伴って排出用分岐路１６ａと第１水素搬送路７ａを通ってバッファタンク２へ送られ、その後、圧縮機３の作動に伴って圧縮され、４０ＭＰａにまで昇圧されて蓄圧器４へと送られる。
この高純度水素の製造中において、蓄圧器４内の圧力が水素補充用設定圧Ｐ２（例えば、２０ＭＰａ）以下になると、第１と第２水素貯蔵タンク８ａ，８ｂのいずれか一方または両方から高純度水素が補充される。つまり、両水素貯蔵タンク８ａ，８ｂのいずれか一方または両方が図外の加熱装置により加熱されて、水素吸蔵合金に吸蔵された水素が放出され、その放出された水素が両補充用電磁弁１２ａ，１２ｂのいずれか一方または両方の開弁に伴ってバッファタンク２に補充される。
【００２５】
その後、蓄圧器４内の圧力が３０ＭＰａまで回復すると、水素貯蔵タンク８ａ，８ｂからの補充を停止し、必要に応じて貯蔵用電磁弁１０ａ，１０ｂのいずれか一方または両方が開弁されて水素貯蔵タンク８ａ，８ｂに高純度水素が供給されるとともに、水素貯蔵タンク８ａ，８ｂが図外の冷却装置により冷却されて水素吸蔵合金に高純度水素が吸蔵される。
そして、蓄圧器４内の圧力が水素停止用設定圧Ｐ３（例えば、４０ＭＰａ）以上になると、水素製造装置１による水素の製造を停止するのであり、このような運転が繰り返し実行される。
なお、水素貯蔵タンク８ａ，８ｂが満杯になった状態で水素の製造を停止してもよい。
【００２６】
〔別実施形態〕
（１）先の実施形態では、水素製造装置１の一例として１３Ａなどの都市ガスを改質した水素リッチガスから高純度水素を製造する装置を示したが、水素製造装置１としては他の形式の水素製造装置を使用することもできる。
また、水素吸蔵材の一例として水素吸蔵合金を示したが、水素吸蔵合金に代えて、カーボンナノチューブ、カーボンナノコイル、あるいは、カーボンナノファイバと呼ばれる水素を吸蔵・放出する特性を有する炭素化合物の粉粒体を使用することもできる。
【００２７】
（２）先の実施形態では、水素貯蔵タンク８ａ，８ｂを圧縮機３より上流側に位置するバッファタンク２に接続した例を示したが、水素貯蔵タンク８ａ，８ｂは、圧縮機３より上流側であれば、如何なる箇所にも接続可能であり、また、水素貯蔵タンク８ａ，８ｂは、先の実施形態のように２つに限るものではなく、水素貯蔵タンクをひとつだけ接続することも、３つ以上接続することもできる。
【００２８】
（３）先の実施形態では、水素製造用設定圧Ｐ１と水素補充用設定圧Ｐ２を異なる値に設定し、水素製造装置１による高純度水素の製造を開始した後、水素貯蔵タンク８ａ，８ｂから高純度水素を補充するように構成した例を示したが、逆に、水素貯蔵タンク８ａ，８ｂからの高純度水素の補充を開始した後、水素製造装置１により高純度水素を製造するように構成することも、また、水素製造用設定圧Ｐ１と水素補充用設定圧Ｐ２を同じ値に設定して、水素製造装置１による高純度水素の製造と水素貯蔵タンク８ａ，８ｂからの高純度水素の補充を同時に実行するように構成することもできる。
【００２９】
（４）水素製造装置１は、先の実施形態に示した製造装置に限るものではなく、種々の水素製造装置を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】水素供給システムを示す概略構成図
【図２】水素製造装置の運転状態を示す工程図
【図３】水素製造装置の運転状態を示す説明図
【符号の説明】
【００３１】
１      水素製造装置
２      バッファタンク
３      圧縮機
４      蓄圧器
５      ディスペンサ
６      水素需要手段
８ａ，８ｂ  水素貯蔵タンク
【図１】
2006283886.tif 000003
【図２】
2006283886.tif 000004
【図３】
2006283886.tif 000005